深部開(kāi)采綜放面應(yīng)力集中區(qū)沖擊地壓危險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防治

張鳳壘 李偉民 譚洪山

（肥城礦業(yè)集團(tuán) 梁寶寺能源有限責(zé)任公司，山東 嘉祥272404）

1 3316 工作面概況

肥礦集團(tuán)梁寶寺公司3316 工作面主采煤層為3 煤， 工作面位于背斜東翼，煤巖層主要為向東傾伏的褶曲構(gòu)造。 該面煤巖層走向變化較大。 面內(nèi)斷層發(fā)育，3316 外切眼向南400m 處及以南范圍內(nèi)的煤層被巖漿巖侵入。

工作面停采線設(shè)計(jì)在超前工作面聯(lián)絡(luò)巷，該聯(lián)絡(luò)巷前方發(fā)育火成巖侵入?yún)^(qū)，皮帶順槽經(jīng)過(guò)南宋莊背斜，且靠近斷層DF18，該順槽及軌道順槽外側(cè)火成巖侵入?yún)^(qū)邊界處微震事件分布較多；工作面停采線外圍巷道分布密集，受到工作面超前支承壓力與火成巖法向作用力的影響，壓力較大。

2 3316 工作面高應(yīng)力區(qū)壓力顯現(xiàn)

工作面推采位置距停采線60 米， 經(jīng)工作面安設(shè)的地應(yīng)力在線及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示，多次發(fā)生預(yù)警，同時(shí)微地震監(jiān)測(cè)事件數(shù)量和能量成增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力現(xiàn)象逐漸明顯，煤炮頻繁，錨桿盤(pán)出現(xiàn)翻盤(pán)、錨桿折斷等現(xiàn)象（見(jiàn)圖1）。

圖1 3316 工作面微地震事件平面分布（2013.07.11～2013.08.14）

3 3316 工作面沖擊危險(xiǎn)影響因素

3.1 煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性∶經(jīng)煤科總院北京開(kāi)采研究所煤樣測(cè)定，判定梁寶寺公司3 煤層屬于3 類，為強(qiáng)沖擊傾向性煤層。

3.2 工作面埋深較大∶工作面埋深為-845.0～-885.5m，采深越大，越容易導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

3.3 高應(yīng)力工廣煤柱邊緣∶由于工業(yè)廣場(chǎng)周?chē)泄ぷ髅娌贾?，各工作面均停采在工廣煤柱線邊緣，形成了以工業(yè)廣場(chǎng)為中心的應(yīng)力高度集中區(qū)域。

3.4 外圍巷道留底煤∶由于開(kāi)采煤層活動(dòng)的擾動(dòng)作用，高垂直應(yīng)力向巷道兩側(cè)轉(zhuǎn)移形成水平應(yīng)力，使底板兩側(cè)和底部三個(gè)方向受力，此時(shí)，可以將底板受力狀態(tài)簡(jiǎn)化為“壓桿模型”。由于底板為煤體，強(qiáng)度較低，在水平應(yīng)力的作用下，“壓桿”失穩(wěn)破壞，形成底鼓和底板中部拉伸破壞現(xiàn)象。 工作面外圍巷道多數(shù)留有4m 以上底煤，巷道兩腳處容易產(chǎn)生底煤沖擊。

3.5 外圍分布巷道群∶巷道交叉布置時(shí)， 巷道兩側(cè)集中壓力產(chǎn)生疊加，特別是在銳角部分上的煤體壓力應(yīng)力集中系數(shù)較高，特易誘發(fā)沖擊地壓。

3.6 工作面構(gòu)造發(fā)育∶在褶曲及斷層的附近會(huì)造成煤巖局部應(yīng)力集中，從而可能發(fā)生沖擊地壓，工作面受斷層DF18 及褶曲的影響。 古應(yīng)力場(chǎng)作用下，向背斜軸部附近兩翼區(qū)域是構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域，受采掘活動(dòng)的影響，極易發(fā)生沖擊地壓。 斷層活化是巖層運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身的不穩(wěn)定性，在高應(yīng)力作用下，斷層比完整巖層先行運(yùn)動(dòng)。 斷層與工作面中間位置為應(yīng)力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身能夠積聚能量，則疊加后的應(yīng)力高峰區(qū)位置同樣容易積聚較大能量，可以誘發(fā)沖擊地壓。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在工作面前方距離斷層20～40m 時(shí),最容易誘發(fā)沖擊地壓。

3.7 火成巖侵入∶火成巖的侵入，使煤層出現(xiàn)相變區(qū)，相變周?chē)鷰r體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。從圖中可以看出，由于受火成巖的影響，形成支承壓力，同時(shí)超前支承壓力轉(zhuǎn)移受阻，煤層中應(yīng)力集中，采掘工作面的推進(jìn)造成前方出現(xiàn)支承壓力，隨著采掘工作面的推進(jìn)，火成巖形成的支承壓力和采掘形成的支承壓力在采掘工作面前方疊加，誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。

3.8 工作面三次見(jiàn)方∶工作面進(jìn)入第三次見(jiàn)方階段，一般而言，工作面見(jiàn)方階段，煤層上方的覆巖空間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性運(yùn)動(dòng)，工作面礦壓顯現(xiàn)明顯，煤炮、震頂現(xiàn)象頻繁。

4 3316 工作面沖擊地壓誘發(fā)機(jī)理分析

梁寶寺公司3 煤層具有沖擊傾向性，具備發(fā)生沖擊地壓的基本條件；靜載作用與動(dòng)載作用疊加，是誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的根本原因。

靜載作用包括地壓與支承壓力之和，地壓包括自重應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，工作面煤層埋藏較深，井下標(biāo)高-840.0～-880.5,同時(shí)工作面推采方向朝向高應(yīng)力工廣煤柱邊緣，地壓較大；該工作面恰位于地質(zhì)構(gòu)造形成的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)∶受火成巖侵入的擠壓作用影響，相鄰的區(qū)域出現(xiàn)水平構(gòu)造應(yīng)力，應(yīng)力方向沿火成巖侵入體外法線方向；南宋莊背斜軸部形成的局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，水平應(yīng)力指向背斜軸部，背斜軸部的煤、巖體完整性差；工作面皮帶順槽側(cè)的DF18 斷層附近形成局部構(gòu)造應(yīng)力，以上幾種地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在3316 工作面疊加，綜合形成應(yīng)力疊加區(qū)（圖2）。

圖2 多種應(yīng)力作用下沖擊地壓發(fā)生機(jī)理示意圖

支承壓力包括巷道周?chē)С袎毫εc采動(dòng)支承壓力，工作面外圍巷道交叉口密集，容易形成巷道周?chē)С袎毫Γc工作面采動(dòng)應(yīng)力疊加，形成很高的支承壓力，地壓與支承壓力疊加，而形成很高的靜載作用。

工作面進(jìn)入第三次見(jiàn)方階段，煤層上方的覆巖空間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性運(yùn)動(dòng)，以及工作面前方火成巖局突然斷裂，易形成動(dòng)載作用。

工作面前方火成巖發(fā)育的產(chǎn)狀可能存在“尖滅”式和“陷落柱”式。若發(fā)育“尖滅”式產(chǎn)狀，由于受工作面超前支承壓力及斷層構(gòu)造應(yīng)力及背斜殘余彈性能的影響，火成巖靠近工作面?zhèn)葞r體較薄，容易發(fā)生斷裂，遠(yuǎn)離工作面?zhèn)然鸪蓭r厚度大，不易發(fā)生斷裂，受超前高應(yīng)力作用，處于兩者中間的區(qū)域極可能在某個(gè)時(shí)刻發(fā)生突然破裂，其形成的動(dòng)載作用與工作面初始靜載作用疊加，工作面前方留底煤區(qū)域因受壓桿作用，極易誘發(fā)底煤沖擊。

若發(fā)育“陷落柱”式產(chǎn)狀，由于受到前方巖漿巖的影響，上覆巖層的整體性受到破壞，超前支承壓力轉(zhuǎn)移受阻，隨著工作面推采，距離前方巖漿巖距離逐漸減小，上覆巖層所支持煤柱逐漸減小，造成煤柱的支承壓力逐漸增大，縮小的煤柱同時(shí)受到斷層構(gòu)造應(yīng)力及背斜殘余彈性能的影響，呈現(xiàn)高應(yīng)力性。受工作面超前支承壓力作用，工作面上覆巖層容易造成以前方煤巖交界為支點(diǎn)，上覆巖層突然向采空區(qū)方向旋轉(zhuǎn)，造成工作面突然來(lái)壓，兩端頭處及工作面上極易誘發(fā)沖擊。

5 工作面沖擊地壓防治措施

5.1 強(qiáng)監(jiān)測(cè)

安設(shè)地應(yīng)力在線及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施24h 監(jiān)測(cè)，超前配合使用煤粉鉆屑法及電磁輻射監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取卸壓、支護(hù)措施。

5.2 強(qiáng)卸壓

外圍巷道留底煤區(qū)域全部施工底板卸壓孔卸壓，全部進(jìn)行放炮斷底二次卸壓；外圍巷道兩幫全部施工卸壓孔。

5.3 強(qiáng)支護(hù)

兩順槽超前100m 支設(shè)超前單體支護(hù)； 工作面推采至聯(lián)巷100m前，在聯(lián)巷內(nèi)支設(shè)單體支護(hù)；所有外圍三岔口支設(shè)木點(diǎn)柱支護(hù)。

5.4 強(qiáng)防護(hù)

對(duì)工作面外圍巷道安設(shè)了六道防沖門(mén)，同時(shí)工作面前方聯(lián)巷兩端進(jìn)行封閉管理，工作面割煤期間實(shí)行限員，進(jìn)行封閉管理，實(shí)現(xiàn)“有震無(wú)災(zāi)”、“有災(zāi)無(wú)傷”。

6 結(jié)論

高度關(guān)注復(fù)雜地質(zhì)條件下的沖擊地壓防治，堅(jiān)持“強(qiáng)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)卸壓、強(qiáng)支護(hù)、強(qiáng)防護(hù)”等原則，結(jié)合對(duì)各工作面進(jìn)行的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，劃定沖擊危險(xiǎn)區(qū)，并按照不同參數(shù)超前工作面施工卸壓孔卸壓及超前工作面煤層注水，安設(shè)在線在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及鉆屑檢測(cè)、重復(fù)卸壓與效果檢驗(yàn)，加強(qiáng)個(gè)體防護(hù)及巷道支護(hù)，最大限度做到“有震無(wú)災(zāi)”、“有災(zāi)無(wú)傷”，保證礦井的安全生產(chǎn)。

［1］齊慶新,李宏艷,潘俊鋒,等.沖擊礦壓防治的應(yīng)力控制理論與實(shí)踐[J].煤礦開(kāi)采,2011,16(3)∶114-118.